【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23360135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子細線 / 半導体レーザー / 光学利得 / 多体効果 / 理論計算 / 薄膜・量子構造 / レーザー / MBE / へき開再成長

【研究成果の概要】

半導体レーザーの利得性能計算には、自由電子近似に基づくバンド理論が用いられてきた。本研究では、計算パラメータをk・p 摂動論に基づいて決定し、1 次元量子細線系と2 次元量子井戸系用のキャリア間多体クーロン相互作用を平均場近似で取り入れ、レーザーのモード利得を定量的に計算する理論を、コードとして試作した。遮蔽クーロン相互作用の波数依存性を無視した計算も行った。実験では、高品質3周期T型量子細線試料を用いて、利得スペクトルのキャリア密度依存性を精密測定した。理論により得られた定量的利得スペクトルやピーク利得値を実験と比較して、開発した理論の有用性を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】20360135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

薄膜・量子構造 / 量子細線 / レーザー / MBE / へき開再成長 / 量子細線レーザー / 低しきい値 / 光励起 / 電流注入 / 定量計測 / 絶対感度

【研究成果の概要】

MBEへき開再成長T型GaAs量子細線の利点を生かして、量子細線レーザーの低しきい値発振を行い、そしてそれらのデバイスが示すレーザー発振特性と光学物性・光学応答を定量計測し、量子細線レーザーの利点や性能が上記の最初の理論予測どおりなのかどうかを検証した。15-20周期の量子細線を活性層に用いた垂直配置p-n接合を有する電流注入量子細線レーザー、そのp型とn型を逆に配置した転置型電流注入量子細線レーザー、平行配置p-n接合を有する電流注入量子細線レーザーなど、非ドープおよびn型変調ドープ単一量子細線レーザーなど各種のデバイスに対して、電流注入と光励起により非中性及び中性の電子正孔分布を形成し、利得スペクトルやピーク利得の定量評価を行い、半導体ブロッホ方程式理論をもとに、定量的理論計算を行い比較を行った。全体的なスペクトル形状に関して定量的な良い一致が得られた一方、低エネルギーテイルの部分の不一致が明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】16360148 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電流注入 / GzAs / 量子細線 / T型 / レーザー / 分子線エピタキシー / 一次元 / ドーピング / GaAs / 電子正孔系

【研究成果の概要】

垂直及び平行配置の2通りのp-nドーピングプロファイルを有するT型量子細線レーザー構造において、電流注入での単一モード発振に成功した。これらのレーザーの共振器長は0.5mmで、端面にはAu/SiO2による高反射コートを施してある。へき開再成長T型量子細線レーザーは、その特異な作製法のために、レーザー光導波路がウエハーの角に形成され通常のフォトリソグラフィーの手法が使えない。また、p-n接合も立体的な配置を取り、通常の1次元ポアソン方程式に基づく設計が使えない。そこで、垂直及び平行配置p-nドーピングプロファイルのレーザー構造の設計、電極形成およびレーザーバー形成のための半導体プロセス、電流注入デバイス評価の手法開発を課題として克服しながら研究を進めた。
15本のT型細線からなる垂直p-n層を有する量子細線レーザーでは、電流注入T型細線レーザーとしては世界最高の5-110Kの広い温度で単一モード発振が観測された。しきい値電流と外部微分量子効率は100Kにおいて最良値をとり、それぞれ2.1mAおよび0.9%であった。一方、20本のT型細線からなる平行p-n層を有する量子細線レーザーにおいては、温度30-70Kで単一モード発振が観測され、温度30Kのとき0.27mAの最低しきい値が達成された。そのときの外部微分量子効率は12%であった。この0.27mAのしきい値電流は、1本あたりに直すと14μAとなる。0.5mmの細線の長さ、30Kの温度、約0.4nsのキャリア寿命に対して、Yarivの理論予測を適用すると約10μAであり上記の値にとても近いことが解る。今回得られた結果は、低温においてではあるが当初の理論予測を原理的に検証したと言える結果である。他にも、発光および発振スペクトル、IV特性、IL特性、しきい値電流と外部量子効率、それらの温度依存性など、詳細な物理計測が達成できた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】15,000千円 (直接経費: 15,000千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】09555094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子細線 / 一次元励起子 / 室温 / 分子線エピタキシー / 品質評価 / 閉じ込めエネルギー / 励起子 / 温度依存性 / 顕微分光 / レーザー / 横方向閉じ込め / 束縛エネルギー / 発光デバイス

【研究成果の概要】

本研究の目的は、人工的に作られたGaAs系量子細線において、室温の発光過程でも有効に働くような強く安定な一次元励起子効果を検証することと、また逆に室温での動作を阻害する物理的・物質的要因をつきとめることである。このため、測定手段として、温度変化測定に対して安定な分解能・検出効率の高い顕微PLイメージ・分光測定システムを開発し用いた。
試料として、まず、T型量子細線においてlnGaAsを用いて強い閉じ込めを実現するとともに、構造の均一性を阻害する要因を高分解能の顕微分光法をもちいて調べた。最終的に用いた試料構造で得られた横方向閉じ込めエネルギーは35meVであった。これは、対応するGaAsT型量子細線での18meVという値と比べると約2倍の進歩である。AlAsバリアと組み合わせることにより、より深い閉じ込めが期待できる。この試料について発光スペクトルの温度依存性を測定したところ、150K程度までは量子細線の発光が明瞭に観測されることが確かめられた。励起子の拡散過程・熱活性化過程・非発光過程の関与をあわせて検討中である。
T型量子細線の品質は、(110)へき開面上のMBE結晶成長に強く依存している。そもそも、(110)面上の結晶成長により得られた量子井戸構造は、(100)面上の結晶成長により得られた同型の量子井戸構造に比べて、つねに発光線幅が大きく、T型量子細線の品質を低下させる。このメカニズムを理解するために、AFMと高分解能顕微発光イメージやスペクトル測定を行い、(110)面特有のミクロンスケールのテラス形成とそこに生じる局在電子状態の存在を確認した。
また、制御性には欠けるがもともと閉じ込めの強いリッジ型量子細線を用いて、実際にレーザー構造を設計・作製し、室温までのレーザー発振の様子を測定し、発振の起源や均一性の評価などを行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】11,600千円 (直接経費: 11,600千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】08555081 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / 量子井戸 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

情報通信技術の発達はさまざまな電磁波領域の開拓を必要としてきている。これは単に情報量の増大のみならず、さまざまな情報のやりとりを実現するために要請されてきている。
本試験研究では、21世紀のテラビット級情報ネットワーク構築をめざした基礎技術として、コヒーレント・テラヘルツ電磁波発生のための半導体集積デバイスの開発研究を行い、テラヘルツもしくはフェムト秒テクノロジーという研究分野の実用化に寄与することをはかった。まず、絶縁性GaAs基板上にGaAsを低温成長しその表面および基板裏面に光導伝ダイポールアンテナを集積化し、フェムト秒レーザパルスを用いたポンププローブ法により、テラヘルツの発生と検出を行った。その結果感度を2.5倍向上させることができた。この結果は本素子の有効性を示すものである。さらに新しい原理のデバイスとして、半導体微小共振器と多重量子井戸を面型に組み合わせたしたコヒーレント・テラヘルツ電磁波発生用半導体集積デバイスを提案し素子設計を行った。また、これにもとづきMOCVD結晶成長により素子の試作を行った。その基礎実験を行った。本素子は、半導体量子井戸を有する微小共振器においてわれわれが1992年に世界に先駆けて見い出した励起子ポラリトン効果(量子井戸中の励起子と微小共振器中の光子のコヒーレント相互作用による真空ラビ振動)を利用したものである。フェムト秒分光システムによりポンプ・プローブ法により反射スペクトルを観測することにより、光を搬送波とする2テラヘルツ程度のテラヘルツ振動を観測することに成功した。
本研究により、集積テラヘルツ電磁波発生システムの基礎付けが行われ、マイクロ波フォトニクスにおける新たな展開をもたらす可能性を示唆することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】17,400千円 (直接経費: 17,400千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】07405018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / フォトニック結晶 / STM / レーザ / ピコ光パルス / 半導体 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

1982年に量子ドットレーザが提案されて以来、半導体ナノ構造構造の研究は急速に発展し、固体物理およびエレクトロニクスの研究分野に大きなインパクトをもたらしてきた。しかし、これまでの多大な努力にもかかわらず、形成技術や量子ドットの物性の解明が十分ではないため、現時点においては量子ドットレーザが当初予想されたような性能を実現するには至っていなかった。
本研究では、量子ドットの形成および物性物理の解明を踏まえて、量子ドットレーザの実現の基礎固めをはかることをめざしている。まず、量子ドットの新しい作製法として、選択成長を用い2次元V溝構造を形成しその中に量子ドットを成長させる手法を開発するとともに、自己形成量子ドットの作製技術の確立を行った。特に、前者においては垂直量子細線も形成可能であることを示すとともに積層構造も作製した。また、量子ドットの局所的評価手法として、近接場光学顕微鏡による量子ドットからの発光の観測を行い、強磁場における量子ドット中の電子のスピン分裂の観測に世界で初めて成功した。また、低温STMを用いたトンネル発光の実験を量子ドットについて初めて行い、単一量子ドットからの発光を確認するとともに分光に成功した。これらの結果はナノテクノロジー技術の開拓に重要なインパクトを与えるものである。さらに、量子ドット中のキャリアダイナミックスを時間分解測定により明らかにするとともに、微小共振器型量子ドットレーザの発振に成功し、ピコ秒光パルスの生成を行った。また電子とフォノンとの相互作用について理論研究を行い、いわゆるフォノンボトルネックは殆ど問題にならないことを初めて示した。2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案と解析をさらに進めた。さらに、以上の研究により次世代の半導体レーザのあり方を浮き彫りにすることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】35,300千円 (直接経費: 35,300千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】06555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 微小共振器 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス / 歪構造 / 半導体レーザ / 量子ドット / ステップエッジ

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。しかし実現の道はそれほど近くはない。したがって、このような次世代光技術をささえるために新たな半導体レーザを開拓し、その技術を確立することは急務といわざるを得ない。
本試験研究では、上述の究極レーザのひとつとして、量子細線を活性層に有する垂直型微小共振器レーザをこれまでの本研究者の実績をふまえて試作し、その高性能性を明らかにする。これにより「量子微小レーザ」が超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証し、次世代の集積レーザのあり方が浮き彫りにする。
本研究計画で得られた成果は,量子ドットの作製技術としては,(1)形成の初期過程の観察(2)自然配列化(3)新しい作製法の開拓(4)微小共振器量子ドットレーザ作製(5)壁開面上への量子細線の選択成長について成果を挙げるとともに,ナノメートルスケールの光・電子相互作用の解明として(6)近接場光顕微鏡による量子ドットの光学評価(7)マイクロフォトルミネッセンスによる2次元電子ガスとポイントコンタクト構造における電子の噴出現象の可視化を進めた。さらに,(8)共振器ポラリトンにおける励起子-励起子散乱の効果の解明(9)微小共振器中の量子井戸における磁気励起子効果の観測(10)2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案など,共振器効果についても重要な知見を得ることができた。
これらに加えて垂直共振器型量子細線レーザおよび垂直共振器型量子ドットレーザを試作し,光ポンピングによる低温レーザ発振に成功した。
本研究成果はナノ構造を有する半導体レーザの実用性の可能性を明らかにしたものであり,今後のデバイス技術の発展に大きく寄与するものである。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】13,200千円 (直接経費: 13,200千円)